Скандиум

Скандиум — хемиски елемент со симбол Sc и атомски број 21. Сребрено-бел метален д-блок елемент , историски е класифициран како редок елемент,^[4] заедно со итриум и лантаноидите. Бил откриен во 1879 година со спектрална анализа на минералите еуксен и гадолинит од Скандинавија .

Скандиум  (₂₁Sc)

Општи својства
Име и симбол	скандиум (Sc)
Изглед	сребренобела
Скандиумот во периодниот систем
– ↑ Sc ↓ Y калциум ← скандиум → титан
Атомски број	21
Стандардна атомска тежина (±) (Ar)	44,955908(5)[1]
Категорија	преоден метал
Група и блок	група 3, d-блок
Периода	IV периода
Електронска конфигурација	[Ar] 3д1 4с2
по обвивка	2, 8, 9, 2
Физички својства
Фаза	цврста
Точка на топење	1814 K ​(1541 °C)
Точка на вриење	3109 K ​(2836 °C)
Густина близу с.т.	2,985 г/см3
кога е течен, при т.т.	2,80 г/см3
Топлина на топење	14,1 kJ/mol
Топлина на испарување	332,7 kJ/mol
Моларен топлински капацитет	25,52 J/(mol·K)
парен притисок P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k при T (K) 1645 1804 (2006) (2266) (2613) (3101)
Атомски својства
Оксидациони степени	3, 2,[2] 1[3] ​(амфотерен оксид)
Електронегативност	Полингова скала: 1.36
Енергии на јонизација	I: 633,1 kJ/mol II: 1235,0 kJ/mol II: 2388,6 kJ/mol (повеќе)
Атомски полупречник	емпириски: 162 пм
Ковалентен полупречник	170±7 пм
Ван дер Валсов полупречник	211 пм
Спектрални линии на скандиум
Разни податоци
Кристална структура	​шестаголна збиена (шаз)
Топлинско ширење	α, poly: 10,2 µм/(m·K) (при с.т.)
Топлинска спроводливост	15,8 W/(m·K)
Електрична отпорност	α, пов: 562 nΩ·m (при с.т., пресметан)
Магнетно подредување	парамагнетно
Модул на растегливост	74,4 GPa
Модул на смолкнување	29,1 GPa
Модул на збивливост	56,6 GPa
Поасонов сооднос	0,279
Бринелова тврдост	736–1200 MPa
CAS-број	7440-20-2
Историја
Наречен по	after Скандинавија
Предвидел	Димитриј Менделеев (1871)
Откриен и првпат издвоен	Ларс Фредерик Нилсон (1879)
Најстабилни изотопи
Главна статија: Изотопи на скандиумот
изо ПЗ полураспад РР РЕ (MeV) РП 44м2Sc веш 58,61 ч ВП 0,2709 44Sc γ 1,0, 1,1, 1,1 44Sc ε – 44Ca 45Sc 100 % 45Sc е стабилен со 24 неутрони 46Sc syn 83,79 д β− 0,3569 46Ti γ 0,889, 1,120 – 47Sc syn 3,3492 д β− 0,44, 0,60 47Ti γ 0,159 – 48Sc syn 43,67 ч β− 0,661 48Ti γ 0,9, 1,3, 1,0 –
преглед разговор уреди | наводи | Википодатоци

Скандиумот е присутен во повеќето депозити на ретки и ураниум соединенија, но се извлекува од овие руди во само неколку рудници низ целиот свет. Поради ниската достапност и тешкотиите при подготовката на метален скандиум, првпат направена во 1937, примените за скандиум не беа развиени до 1970-тите. Позитивните ефекти на скандиумот врз алуминиумските легури биле откриени во 1970-тите, а неговата употреба во такви легури останува неговата единствена главна примена. Глобалната трговија со скандиум оксид е околу 10 тони годишно.

Својствата на соединенијата на скандиум се нешто меѓу оние од алуминиум и итриум . Постои дијагонална врска помеѓу однесувањето на магнезиум и скандиум, исто како што постои помеѓу берилиум и алуминиум. Во хемиските соединенија на елементите од група 3, доминантната оксидациона состојба е +3.

Својства

Хемиски одлики

Скандиум е мек метал со сребрен изглед. Развива слабо-жолтеникава или розова нијанса кога се оксидира со воздух. Подложен е на атмосферски влијанија и полека се раствора во повеќето разредени киселини . Не реагира со 1:1 мешавина на азотна киселина (HNO₃) и 48% флуороводородна киселина (HF), најверојатно поради формирањето на непропустлив пасивен слој . Скандиумот се пали во воздух со светол жолт пламен формирајќи скандиум оксид .^[5]

Изотопи

Во природата, скандиумот се наоѓа исклучиво како изотопот

⁴⁵ Sc, кој има јадрен спин од 7/2; ова е нејговиот единствен стабилен изотоп. Тринаесет радиоизотопи се карактеризирани, а најстабилниот од нив е ⁴⁶ Sc, кој има полуживот од 83.8 дена; ⁴⁷ Sc, 3.35 дена; испуштачот на позитрони ⁴⁴ Sc , 4 часа; и

⁴⁸ Sc, 43.7   часа. Сите останати радиоактивни изотопи имаат полуживот пократок од 4 часови, а поголемиот дел од нив имаат полуживот помал од 2 минути. Овој елемент, исто така, има пет јадрени изомери , со најстабилниот од нив ^{44 м}Sc ( t _1/2 = 58.6   ч.).^[6]

Изотопите на скандиумот се движат од ³⁶Sc до ⁶⁰Sc. Примарниот режим на распаѓање на маси пониски од единствениот стабилен изотоп, ⁴⁵ Sc, е електронскиот зафат , а примарниот режим кај масите над него е бета-распадот . Примарните продукти на распаѓање при атомски тежини под

⁴⁵ Sc се изотопи на калциум, а примарните производи при повисоки атомски тежини се титаниум изотопи.^[6]

Појава

Во Земјината кора , скандиумот не е редок. Проценките варираат од 18 до 25 рpm, што е споредливо со изобилството на кобалт (20-30 ppm). Скандиумот е само 50-тиот најчест елемент на Земјата (35-ти најзастапен елемент во кората), но е 23-тиот најчест елемент во Сонцето .^[7] Сепак, скандиумот се дистрибуира ретко и негови траги се јавуваат во многу минерали .^[8] Ретки минерали од Скандинавија ^[9] и Мадагаскар ^[10] како што се тортвеитит , еукзинит и гадолинит се единствените познати концентрирани извори на овој елемент. Тортвеититот може да содржи до 45% скандиумот во форма на скандиум оксид .^[9]

Стабилната форма на скандиум е создадена во супернови преку р-процесот .^[11]

Производство

Светското производство на скандиум се движи околу 15 тони годишно, во форма на скандиум оксид . Побарувачката е околу 50% повисока, и производството и побарувачката постојано се зголемуваат. Во 2003 година, само три рудници произведуваа скандиум: рудниците за ураниум и железо во Жовти Води во Украина , рудниците за ретки елементи во Бајан Обо , Кина и рудниците за апатит на Колскиот Полуостров, Русија; Оттогаш многу други земји имаат изградено објекти за производство на скандиум, вклучувајќи производства до 5 тони годишно (7,5 тони / годишно Sc ₂ O ₃ ) од Никел Ази Корпорација и Сумитомо Метал Рударство на Филипините .^[12][13] Во секој случај, скандиумот е нус-производ од извлекувањето на други елементи и се продава како скандиум оксид.^[14][15][16]

За производство на метален скандиум, оксидот се претвора во скандиум флуорид, а потоа се редуцира со метален калциум .

Мадагаскар и Ивеланд-Еве регионот во Норвешка ги имаат единствените депозити на минерали со висока содржина на скандиум, тортвеитит (Sc,Y)₂(Si₂O₇) и колбекит ScPO ₄·2H₂O, но тие не се експлоатираат.^[15]

Отсуството на сигурно, стабилно, долгорочно производство ги ограничува комерцијалните употреби на скандиум. И покрај ова ниско ниво на употреба, скандиумот нуди значајни придобивки. Особено ветувачки е зајакнувањето на алуминиумските легури со само 0,5% скандиум. Побарувачката на цирконијата стабилизирана со скандиум на пазарот расте поради нејзината употреба како високо ефикасен електролит во цврсти оксидни горивни ќелии .

Цена

Поради својата реткост, скандиумот е меѓу најскапите елементи. Цената за чист скандиум варира помеѓу 4,000 и 20,000 американски долари по килограм. Во меѓувреме, ограничениот пазар генерира различни цени во било кое дадено време. Во 2010 година, на врвот на недостигот на ретки елементи, цената на скандиумот се зголеми до над 15.000 американски долари за килограм, а широко користениот скандиум оксид (Sc₂O₃) се продава за над 7 000 американски долари по килограм. Оттогаш ограничената побарувачка заедно со постојаното производство ја задржува цената на нејзиниот 20-годишен просек.^[17]

Соединенија

Хемијата на скандиум е речиси целосно доминирана од тривалентниот јон, Sc ³⁺ . Полупречниците на M ³⁺ јоните во табелата подолу укажуваат на тоа дека хемиските својства на скандиумовите јони имаат повеќе заедничко со итриумовите јони отколку со алуминиумските јони. Делумно поради оваа сличност, скандиумот често се класифицира како елемент сличен на лантаноид.

Халиди и псевдохалиди

Халидите ScX_3, каде што X = Cl , Br или I , се многу растворливи во вода, но SCF₃ е нерастворлив. Во сите четири халиди, скандиумот е 6-координиран. Халидите се Луисови киселини ; на пример, ScF<sub id="mwvA">3</sub> се раствора во раствор кој содржи вишок на флуориди, за да се формира [ScF₆]^3- . Координатниот број 6 е типичен за Sc(III). Во поголемите Y³⁺ и La³⁺ јони, координатните броеви од 8 и 9 се чести. Скандиум трифлат понекогаш се користи како катализатор од тип на Луисова киселина во органската хемија.

Органски деривати

Скандиумот формира серија органометални соединенија со циклопентадиенилни лиганди (Cp), слични на однесувањето на лантаноидите. Еден пример е [ScCp ₂ Cl] ₂ и сродни деривати на пентаметилциклопентадиенил лигандите.^[18]

Невообичаени состојби на оксидација

Соединенија што го содржат скандиумот во оксидациски состојби различни од +3, се ретки, но добро карактеризирани. Сино-црното соединение CsScCl₃ е едно од наједноставните. Овој материјал донесува структура слична на лист, која покажува екстремно сврзување помеѓу центрите на (II)скандиумот.^[19] Скандиум хидридот не е добро разбран, иако се чини дека не е солен хидрид на Sc(II). Како што е забележано кај повеќето елементи, дијатомски скандиум хидрид е забележан спектроскопски на високи температури во гасната фаза. Скандиумските бориди и карбиди се нестехиометриски , како што е типично за соседните елементи.^[20]

Пониски оксидациски состојби (+2, +1, 0), исто така, се забележани во органоскандиумските соединенија.^{[21][22][23][24]}

Историја

Дмитриј Менделеев , кој е познат како татко на периодниот систем , го предвиде постоењето на елементот екабор , со атомска маса меѓу 40 и 48 во 1869 година. Ларс Фредрик Нилсон и неговиот тим го откриле овој елемент во минералите еуксен и гадолинит во 1879 година. Нилсон подготвил 2 грама на скандиум оксид со висока чистота.^[25][26] Тој го именувал елементот скандиум, од латинскиот збор Scandia што значи "Скандинавија". Нилсон наводно не знаел за предвидување Менделеев, но Пер Теодор Клев го препознал елементот и го известил Менделеев.^[27]

Металниот скандиум бил произведен за првпат во 1937 со електролиза на евтектичка мешавина на калиум,литиум и скандиум хлорид , на 700-800 °C. ^[28] Првиот килограм од 99% чист скандиум метал била произведена во 1960 година. Производството на алуминиумски легури започна во 1971 година, по патент од САД.^[29] Алуминиум-скандиум легури, исто така, биле развивани во СССР .^[30]

Ласерски кристали на гадолиниум-скандиум-галиум гранат (GSGG) биле користени во стратешки апликации за одбрана развиени за Иницијативата за стратешка одбрана (SDI) во 1980-тите и 1990-тите.^[31][32]

Црвени џинови во близина на Галактичкото Средиште

На почетокот на 2018 година, беа собрани докази од спектрометарски податоци за значителен број на скандиум, ванадиум и итриум кај црвените џинови во јадреното јато (NSC) во Галактичкото средиште, Понатамошните истражувања покажаа дека ова е илузија предизвикана од релативно ниската температура (под 3.500 K) од овие ѕвезди кои ги маскираат сигналите, и дека овој феномен бил забележан кај другите црвени џинови.^[33]

Апликации

Делови од MiG-29 се направени од легура на Al-Sc.^[34]

Додавањето на скандиум на алуминиум го ограничува растот на кристалитите во топлинската зона на заварени алуминиумски компоненти. Ова има два корисни ефекти: преципитираниот Al₃Sc формира помали кристали отколку кај другите алуминиумски легури,^[34] и волуменот на не-преципитирани зони кај границите на кристалититите кај зацврстени алуминиумски легури е намален.^[34] Двата од овие ефекти ја зголемуваат корисноста на легурата. Меѓутоа, титанските легури кои се слични во леснотијата и силата, се поевтини и многу пошироко се користат.^[35]

Легурата Al₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Ti₃₀ е силен како титан, светол како алуминиум, и тежок како керамика.^[36]

Главната примена на скандиум по тежина е во легурите на алуминиум-скандиум за малите компоненти на воздушната индустрија. Овие легури содржат помеѓу 0,1% и 0,5% од скандиум. Тие биле користени во руските воени авиони, поточно МиГ-21 и МиГ-29 .^[34]

Некои парчиња спортска опрема, кои се потпираат на материјали за високи перформанси, се направени со скандиум-алуминиумски легури, вклучувајќи бејзбол палки ^[37] и рамки за велосипеди и компоненти .^[38] Лакрос стаповите исто така се направени со скандиум. Американскиот производител на огнено оружје Смит и Весон произведуваат полуавтоматски пиштоли и револвери со рамки од легура на скандиум и цилиндри од титан или јаглероден челик.^[39][40]

Стоматолозите користат лабораториски ербиум-скандиум гранат (Er, Cr: YSGG) со итриум-скандиум-галиум легиран состав за подготовка на празнината и во ендодонтија.^[41]

Првите електронски халидни светилки засновани на скандиум беа патентирани од страна на General Electric и првично направени во Северна Америка, но денес се произведуваат во сите големи индустриски земји. Околу 20 кг на скандиум (како Sc₂O₃) се користи годишно во САД за високоинтензитетното празнење светилки.^[42] Еден вид на метал-халидна светилка , слична на ламбата со жива-пареа , е изработена од тридиод на скандиум и јодид на натриум . Оваа ламба е извор на бело светло со висок индекс на рендерирање на бои што доволно наликува на сончева светлина за да овозможи добра репродукција на боите со ТВ- камери.^[43] Околу 80 кг скандиум се користи во метал-халидните ламби/светилки на глобално ниво годишно.

Радиоактивниот изотоп ⁴⁶Sc се користи во рафинериите за нафта како агент за следење.^[42] Скандиум трифлат е каталитичка Луисова киселина која се користи во органската хемија .^[44]

Здравје и безбедност

Елементарниот скандиум се смета за нетоксичен, иако екстензивно тестирање на животни со соединенија на скандиум не е направено.^[45] Средните смртоносни дози (ЛД ₅₀) за скандиум хлорид за стаорци се определени како 4 mg/kg за интраперитонеална и 755 mg/kg за орална апликација.^[46] Според овие резултати, соединенијата на скандиум треба да се третираат како соединенија со умерена токсичност.